北林传感器技术考试概念题

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第一章

• 传感器在被测量的各个值处于______时，输出量和输入量之间的关系称为______。包括：线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。
• 输出和输入量的关系，多项式_________________________
• 理想线性关系:______________
• 具有𝑋奇次阶项的非线性关系:______________
• 具有𝑋偶次阶项的非线性关系:______________
• 具有𝑋奇、偶次阶项的非线性关系:______________
• 拟合直线：

用户手册声称自己是线性关系

• 静态校准曲线：
  • 用一定精度的校准设备，对传感器进行多次测试，即可得到一组__________。将这些散点数据列成表格，再画出各被测量值（正行程和反行程）对应输出平均值的连线，即为传感器的____________。

• 线性度：校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（F·S）输出值的百分比称为线性度𝛿_𝐿
  • ____是以一定的_____或者理想直线为基准直线算出来的。基准直线不同，所得的线性度也不同。
  • 以_____的_____和_____出值连成的直线为拟合直线。
  • _____拟合直线，拟合精度最高。
• 灵敏度：指到达稳定工作状态时，____变化量与____变化量之比。由图可知，校准曲线的斜率就是静态灵敏度K
  • ____ 的____：其数值等于所对应的____拟合直线的斜率，用𝑑 𝑌∕𝑑 𝑋表示。
• 精密度 δ

  • ________________ 即对某一稳定的对象在短时间内连续测量多次，测量结果的分散程度。 精密度越小，测量越精密。

    （二）______

    描述___________________，即表示有规则偏离真值的程度。正确度越小，所测值与真值的符合程度。

    （三）______

    含有____与______两者之__的意思，即测量的_________。工程中常用精确度等级表示。

  • 精确度等级（工程中常用）

    在工程中，为了_____，引入精确度等级A概念。等于传感器的______与_______百分比。

• 迟滞

其_______和_______输出值间出现偏差。用_______与_______𝑌_(𝐹⋅𝑆)百分比表示。

迟滞反映了传感器_______和_______上的缺陷。如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或积尘等。

• 重复性
  • 在相同工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续____所得特性曲线的____。用各测量值正、反量程____最大值的2-3倍与满量程𝑌_(𝐹⋅𝑆)百分比

• 零点漂移

  指传感器_____（或某一输入值不变）时，____________行读数，其输出 _____ 。

• 温漂

  表示_____时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1℃输出最大偏差与满量程的百分比来表示。

第二章

• 金属应变片式传感器

  金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，将试件的________转化成________的变化。

优点:

① ________，测量范围广；

② 频率响应特性好；

③ ________，尺寸小，质量轻；

缺点:

① ________ 时存在明显 ________；

② ________，抗干扰能力差；

③ 测量仅局限于应变片部位，周围情况不能表达。

• 金属丝式应变片 拉长金属丝，电阻增加还是减小？

  〈一〉应变效应：描述____和__________的关系

  金属丝长度l，截面积S，电阻率为𝜌，其电阻__________

  • 在材料的弹性范围内，长度方向伸长时，径向（横向）尺寸缩小，关系是______________，𝜇为材料泊松比。
  • 𝐾_𝑆称为金属丝的______________
  • 金属丝, 电阻R变化与轴向应变𝜺之间存在__________。

• 由4个部分组成

  _________：由ф0.015-0.05mm金属丝绕成栅型, 应变片的应变是栅所在 _________________。

对敏感栅材料的要求：

1. ________________

2. ________________

3. 较大应变灵敏系数，且为常数（稳定性好）；

4. _________，便于造小栅长应变片；

5. 足够的抗拉强度；

• 灵敏度系数（K）

  当金属丝做成应变片后，其应变特性，与金属丝情况不同（即_______________），必须用_______对应变片特性_______。

  _______ ，除胶层传递变形的原因，_______ 是重要因素。

• 引起温度误差的两个因素:
  1. ____________________ 。
  2. ____________________ 。
• 测量电路
  1. 当𝑅>>𝛥𝑅_𝑖时， 输出 _____ 与_____呈_____（近似）；
  2. 若_____两桥臂应变极性一致，输出电压为两者之_____；（如1,2）
  3. 若_____两桥臂应变极性一致，输出电压为两者之_____；（如1,4）
  4. 利用上述特性可进行_____和_____。
• 应变式传感器应用

  • 应变片除可检测应变外，还可测定____，____ ，____ 。

    传感器有两部分：一部分是将力、加速度转变成应变的敏感元件。另一部分是应变片，将应变转换成电阻的变化。

    （一）柱式力传感器

    如图，沿轴向布置一个或几个应变片𝜀_1 ,圆周方向布置横向应变片𝜀_2，有𝜀_2=−𝜇𝜀_1 ，构成差动式以补偿非轴向载荷分量。

根据《材料力学》可知，轴向应变为： ___________

第三章

电容式传感器:将____转换成______的装置。

• 优点：

  1. __________ ，相对变化量可达100%。

  2. __________ 。

  3. ________ 。

  4. __________ ，结构简单，适应性强。

• 缺点：

  5. __________ ，即连接导线电容和本身的泄漏电容，降低灵敏度，引起__________；

  6. __________ 进行测量时，具有_____________ 。

• 电容器电容量计算公式：_________。

  • 变面积型：角位移式：计算公式：________;

    灵敏度：__________;

  • 直线位移式：计算公式：________;

    灵敏度：__________;

结论：

增大 C0 可提高灵敏度（C0：初始电容）；

x或𝜃变化不能太大，否则__________会引起较大非线性误差。.

• 变介电常数型：

  介质发生变化，则电容C随之改变

  • 圆柱形电容公式：__________
  • 串联电容公式：____________

    

  • 并联电容公式：____________

    

• 变极板间距(d )型

  公式：____________

  

第四章

第五章

• 某些晶体，在一定方向受到______时，内部产生______，在两个表面产生____________；当外力消失，又恢复到______状态。
  • 当力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。

  • 具有压电效应的物质：如______、______、______体等。

    石英晶体的压电效应

  • ______是______单晶，规则的六角棱柱体，有三个晶轴：
    • ______又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；
    • ______又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；
    • ______又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。

沿_____(电轴)方向的作用力产生“_____ 压电效应”；

沿_____(机械轴)方向的作用力产生 “_____ 压电效应”；

沿_____(光轴)方向的作用力_____压电效应。

压电式传感器主要是利用_____。

• 石英晶体分子(SiO₂)在垂直于Z轴的XY平面投影。 _______ 和_______等效为_______。

  

• 电偶极矩公式：_________
• 沿X方向压力 (𝑭_𝐱 < 0)作用,________ 出现正电荷

4，在Z轴方向受力？是否产生压电效应？

沿X和Y方向所产生的正应变完全相同，正、负电荷中心重合。

电偶极矩矢量和等于零，不产生压电效应。

5，在 Y 轴方向受力时？是否产生压电效应？

当𝑭_𝒚>0时，与𝑭_𝐱<0相似。

当𝑭_𝒚<0时，与𝑭_𝐱>0相似。

• 逆压电效应

  定义：对晶体施加电场𝐸_𝑋，引起 _______ 𝛥𝑡的现象。

• 石英的 _________ 和 _________ 的 _________ 相当好。相对介电常数：______
  • 到 _________ 时(居里点)，它完全失去了压电特性。 ( 居里点：材料在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。)
  • 石英是一种 _________ 晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根据不同使用要求选择石英片的切型。
• 锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)
  • ______ 是目前应用最广泛的压电材料。
  • 优点：与钛酸钡相比， ______ ， ______ ，各项机电参数受 ______ ，时间稳定性好。
• 提高静态灵敏度措施 (〖𝐾=𝑑〗_33 𝑚=𝑞/𝐹 𝑚 =𝑈𝐶/𝐹 𝑚)
  1. ___________________ 。
  2. ___________________ ，会降低振动系统的固有频率，因此一般不用。

  3. ___________________ ，设单个陶瓷片的参数为 𝑞，𝑈，𝐶，连接后输出参数为𝑞′，𝑈′，𝐶^′。则有：

     （a） “并联”

     𝑞′=2𝑞，𝑈′=𝑈，𝐶^′=2𝐶, 并联接法输出电荷大，适用以 _______ 作为输出量。

     （b） “串联”

     𝑞′=𝑞，𝑈′=2𝑈，𝐶^′=1/2 𝐶, 串联接法输出电压大，适用以 _______ 作输出量。

第六章

马盘式

数字信号的有点

① __________；

② _____________,______________；

③ _________________；

• 工作原理

  _____ 发出光线，经______后变成一束平行光照到 _____ 上

  • 通过暗亮区的光线经_____后，很窄的光束照射在 _____ ，对应 _____ 和 _____ 的输出不同，代表 _____ 的大小。

    功能：将被测物的 _____ 换成 _____ 的电信号输出。

• 码制与码盘
  • 白透光，黑不透光， _____ ， _____ ，共2^6=64个黑白间隔。
  • 码盘的每个角度间隔对应不同的编码，测量时，根据码盘的 _____ 和 _____ 位置的差值，就可确定转动的角度。
• 二进制码存在的问题：
  1. _________ 。要达到1”秒(1^。=3600”) 的分辨力，需要20位以上码盘，若直径400mm，其外圈间隔仅1μm左右，难以加工。
  2. 由于二进制码是 _________ (8421)，所以存在 _________ 。
• 消除粗误差的方法: 采用循环码码盘

  1. n 位的循环码有2^𝑛种不同编码

     容量：2^𝑛

     最小分辨力：𝜃_1=3600/2𝑛

     最外圈角节距：4𝜃_1（比二进制码盘2𝜃_1大一倍）

  2. 循环码为 _____ ；
  3. 具有 _____ ，最高位相反，其余各相同；
  4. _____ ， _____ ，所以 _____ 。

光栅式

• 光栅传感器利用 _________ 测量，精度非常高。

  结构原理

  光栅就是在玻璃尺上刻划 _________ 。

• 莫尔条纹重要特征

  1．_______ ：栅距W <<莫尔条纹𝐵_𝐻，起到了放大作用，把微小移动转变成较大移动。莫尔条纹的运动方向与光栅的移动方向对应。

  2．_______ ：莫尔条纹的光强变化近似正弦变化，因此便于将电信号作进一步细分，将计数单位变成比一个周期W更小的单位。这样可以提高精度和分辨力。

  3．_______ ：光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹，这样对于光栅刻线的误差起到了平均作用。即局部误差和周期误差对测量精度没有直接影响。这就有可能得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。

总结

• 数字式传感器

  直接将非电量转换为数字信号。

• 码盘式传感器

  每个角度间隔对应不同的编码，测量时，根据码盘的起始和终止位置的差值，就可确定转动的角度。

  二进制码盘存在粗误差，循环码码盘没有粗误差。

• 光栅传感器

  利用莫尔条纹现象测量，精度非常高。

  优点：放大位移，细分，平均误差。

第七章

• 热电式传感器，将温度转换为电量的传感器
  1. ________ ：将温度转化为电势(电压)。
  2. ________ ：将温度转化为电阻。
  3. ________ ：利用半导体的电阻与温度的关系，制成的固态传感器。
• 热电效应
  • 两种 _________ A、B两端连接在一起，组成 _________ ，当两结点温度不等时（设𝑇>𝑇_0），回路中产生 _________ ，称为热电效应。

1. 热电偶：两种不同导体组合的传感器，两种导体分别称为热电极。
2. 热端：在被测量度场中是工作端（𝑇），温度变化。
3. 冷端：在测量者手中的一端叫自由端（𝑇_0），温度恒定。

1. 接触电势
   • 接触电动势只与导体材料A、B的性质𝑛_A, 𝑛_𝐵和结点的温度T有关，与材料的 _____ 无关。
2. 温差电势
   • 单一导体两端温度不同，导体内 _____ 的 _____ 具有较大的动能，向 _____ 扩散；高温端带 _____ ，低温端而带 _____ ；从而形成 _____ ，阻碍电子的继续扩散。平衡时，导体两端形成稳定 _____ 。
   • 热电偶中， _____ >> _____ ，温差电势常忽略不计。

• 常用热电偶及结构

  热电偶的电极材料要求

  (1)具有较大的热电势，热电势与温度之间呈 ________ 。

  (2)能在较宽的温度范围内使用， ________ 与 ________ 。

  (3) ________ ，电阻温度系数小， _____ 。

  • 常用热电偶材料

    ①铂铑—铂

    ② ________

    分度号K，镍铬为正极，镍硅为负极，适合温度900℃以下。

    优点： ________ 。

    缺点： ________ 。

    ③镍铬—考铜

    ④铜—康铜

• 热电阻
  • 多数金属具有正的电阻温度系数𝛼_𝑡,(温度越高，电阻越大)。
• 常用材料： _______, __________。

  铂(Pt)电阻：
    适用温度范围 _________ ，制造热电阻最好的材料。
    优点：____________ 。
    缺点：____________ 。
  
    铜(𝐂_𝐮)电阻
    适用温度范围－50～150℃，分度号C_u 50和C_ u 100，
    优点：______________ 。
    缺点：______________ 。
             

• 热电阻测温线路
  • 在工业应用上，热电阻通常安装在 ______ ，仪表安装在 ______ ，其间的引线很长。
• 三线制

  • Rt 温度变化时，只要控制 R3，使得电桥平衡

    测量 _______ 就可以知道𝑅_𝑡，消除了导线电阻 r 的影响。

    

• 四线制

  • 如图所示， 由恒流源提供电流 I，流过热电阻𝑅_𝑡，产生压降U，用直流电压计测出U，则：

    𝑅_𝑡=𝑈/𝐼

    

  • 结论

    因为电位差计测量时不取 ______ ，测量电压的两根导线无电流经过， 所以四根导线的电阻 r 对测量均无影响。

热电阻与热电偶的比较:

1. ___________________。
2. ___________________。
3. ___________________。

第八章

• _______________，载流子(电子)与电流 I 反向运动。磁场使电子受到洛仑兹力𝑓_𝐿作用发生偏转。半导体后端面电子积累，形成电场。电场力𝑓_𝐸阻止电子继续偏转，当𝑓_𝐿与𝑓_𝐸相等时达到平衡。形成了 _______________。

  洛仑兹力 _______________。 方向符合左手定则

  e 电子电荷量1.602×10^(−19) 𝐶

  v 电子速度

  电场力 _______________。

根据霍尔电势的 _______ 可以判别出 _______ 。

霍尔电势与元件的 _______ 有关，与其它尺寸无关。

结论：

(1)电子浓度n很高的金属材料，是否可以作霍尔元件？

答：由于金属材料的电子浓度n很高，所以它的灵敏度小，因此不适合作霍尔元件；

(2)霍尔片的厚度d越小/大越好？

答：元件的厚度d 越小，灵敏度越高。减小d 方法可增加灵敏度，但d 太小增加元件的电阻，所以不能太小；

(3)霍尔电势的方向与 I 或 B 相关？

答：霍尔电势𝑈_𝐻的方向与磁场B方向和电流I方向都有关，随两者方向的改变而改变。

• 电磁特性及误差分析
  1. 电磁特性

     1. 𝑼_𝑯−I 特性 (电势与电流的关系)

        当磁场B恒定时，I 与𝑈_𝐻 呈线性关系

        电流灵敏度

        建立霍尔电势所需时间很 _____ 。

        因此电流采用交流时频率可高达

        ______ ，且元件的噪声系数小。

     2. 当电流 I 不变时，开路霍尔输出𝑈_𝐻与磁场 B _______ 。

        通常，磁感应强度B在 _____ 以下时，线性度较好。

  2. 不等位电势及补偿

     1. 若霍尔电极处于同一等位面时，𝑟_1=𝑟_2=𝑟_3=𝑟_4，则电桥平衡，输出电压𝑈_0=0。

     2. 当霍尔电极不在同一等位面时，𝑟_3增大，𝑟_4减小，电桥不平衡，输出电压𝑈_0≠0。

     3. 恢复电桥桥平衡要减少𝑟_3或𝑟_𝟐。可以用机械修磨、化学腐蚀、 _____ 的方法。

• 感应电势

  霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔电极 _____ ，在输出回路中也会产生 _____ ，其大小正比于磁场变化的频率和磁感应强度的幅值，并且正比于霍尔电极引线所构成的面积，如下图a所示。

  通过合理布线(如b)，就可以起到显著的补偿效果。

  

• 霍尔元件的用途
  1. I恒定，输出𝑼_𝑯与B成正比，用于测定磁场强度，如 _____ ;
  2. B恒定，输出𝑼_𝑯与I成正比，用于 _____ 、电压表 _____ 等;
  3. ，I和B均变化，输出𝑼_𝑯与两者乘积IB成正比，用于乘法器 _____ 、 _____ 等。
  4. 此外，利用霍尔元件还可以制成 _____ 、 _____ 、 _____ 等传感器。

第九章A

• 光电效应

  光电器件的物理基础是光电效应，分为外光电效应和内光电效应。

• 内光电效应

  1. 光线作用下，半导体内电子 ________ 从键合状态过渡到

     自由状态， _____ 变化。

  2. 入射光子能量𝐸=ℎ𝜈必须大于半导体的 _____ （临界值）

     即：入射光的波长𝜆_𝑐 _____ 临界值

     ② _____ ——光电池原理

     光线作用下，半导体内产生 _____ ，如光电池，光敏晶体管。

  光敏电阻

  功能：半导体的光敏电阻， ______ 随光照的 ______ 而 ______ 。

• 光敏电阻的原理

  发生 ______ 的条件：入射光波长𝜆_𝑐 ______ 临界值

• 主要参数和基本特性：

  1. 主要参数（与外加电压有关）

     ______ ：常温下，全暗一定时间后的阻值。

     ______ ：某一光照下的电阻值，此时的电流称亮电流。

     灵敏度：暗电阻越大，亮电阻越小,性能越 ___ 。

  2. ②光照特性

     电压恒定的条件下，

     电流与光照，非线性关系

     不宜作测量元件

     常用作光电开关元件

• 光电池（太阳能电池）

  利用 ______ 效应，将 ______ 转换为 ______ ，一般能用于制造光电阻

  的材料都能用于制造光电池。

• 光谱特性：

  硒光电池，适用于 ______ 。

  硅光电池，适用于 ______ 。

• 频率响应：（动态特性）

  光电池作为测量、计算、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指 ______ 随 ______ 变化的关系。

• 温度特性（温度漂移）

  光电池的温度特性是指 ______ 和 ______ 随温度变化的关系。

  ______ 随温度升高而下降很快

  ______ 随温度上升增加却很慢

  光电池作为测量元件使用时，最好保持恒温或采取温度补偿。

应用：

• 模拟式

  ① 辐射型：被测物是光源，用光电器件测量物体温度，将被测物

  体的的辐射能量转换成光电流，如光电高温计。

  ② 吸收型：被测物能吸收光通量，用光电器件测量物体的透光

  能力，测量被测物体的吸收量。如测透明度，混浊度光电比色计。

  ③ 反射式：被测物有反射表面，用光电器件测量物体表面的反射

  能力，如测量表面光洁度，粗糙等仪器。

  ④ 遮光式：被测物遮蔽光通量，用光电器件测量物体的位移，测

  量光通量的变化，如测量尺寸和振动等仪器。

• 数字式

  1. 光电耦合器

     结构：发光器件与光敏器件组成，发光器件采用 _________。

     光敏元件采用 _________。二者应在光谱上匹配。

     原理：电信号加在输入端，使发光器件发光，而光敏元件则在

     此光照射下输出电流，从而实现“ _________”的转换。

     功能：输入、输出间互相隔离，具有良好的电绝缘和抗干扰能力。作为长线传输的终端隔离元件，提高信噪比。

  2. 光电转速计：

     在转轴上装码盘，将光照射到码盘上，轴每转一周，反射光投射到光电元件上的____发生一次变化，故光电元件产生一次 _________，据此计算转速。

第九章B

• 光纤传感器

  优点：

  1. ______；

  2. ______；

  3. 不干扰被测场；

  4. 高灵敏度；

  5. 容易实现远距离传输。

• 斯涅尔定理(折射定理)
  • 当光由光密物质（折射率𝑛_1大）射至光疏物质（折射率𝑛_2小）时，发生折射(反之亦然)：

  • 纤芯和包层谁的折射率大？

    　 纤芯𝑛_1 ___ 包层𝑛_2，光在界面上全反射，在纤芯内传播。

  光纤传感器的主要元器件
• 光纤：

  常见的有阶跃型和梯度型

  _____ ：光纤与包层间的折射率是 _____ 的。

  _____ ：光纤的折射率在纤芯中心处最大，其值𝑛_1由 __________ ，到纤芯边界时变为包层折射率𝑛_2。

• 光源
• 检测器：光敏二极管，光敏三极管，光电倍增管